700V EconoDUAL? 3 IGBT7助力690V變頻器擴容提頻
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隨著國家“雙碳”政策的推進，大力推廣節能減排技術已經在各行業逐步深化。在高能耗的工業應用中，通過變頻器控制電機調速可以節能大約15-40%，有著巨大的經濟效益， 因此一直是節能減排的重要措施。作為通用變頻器重要的細分產品，690V變頻器主要應用于冶金、石油、造紙、港口大型起重設備和船舶等領域。英飛凌上一代的1700V EconoDUAL? 3 IGBT4模塊已經在690V變頻器中得到了廣泛應用。隨著芯片技術的發展和變頻器系統功率密度的提升，英飛凌基于最新的1700V IGBT7芯片和EC7二極管芯片推出了新一代的EconoDUAL? 3 IGBT7模塊。
產品概述
由于芯片電流密度的提升，IGBT7模塊有6個電流等級和8種產品，如下表所示。
■ 更高電流等級：除了與IGBT4的4個電流等級兼容，IGBT7還提供750A和900A兩款更高電流等級的產品，可以進一步提升系統的功率密度。
■ 加強反并聯二極管：此外，FF750R17ME7D_B11配置了1200A的反并聯二極管芯片，更適合零功率因數和負功率因數應用工況，比如SVG，使用IGBT模塊的AFE整流單元。
■ 直接水冷設計：FF900R17ME7W_B11的銅基板采用了直接水冷設計，可以進一步提升模塊的散熱效率和系統的功率密度。
EconoDUAL? 3
封裝外形圖
FF900R17ME7W_B11
直接水冷模塊的銅基板
性能優勢
1700V EconoDUAL? 3 IGBT7除了有更豐富的產品系列和更高的電流等級，還有哪些獨特之處可以助力提升690V變頻器的系統價值？且聽我一一分析。
1
IGBT7的VCE sat更低
以FF600R17ME4_B11和 FF600R17ME7_B11為例，當Ic為600A，結溫為150℃時，兩種器件的IGBT飽和壓降為分別為2.45V 和1.95V。FF600R17ME7_B11比FF600R17ME4_B11低0.5V，大約20.4%。
2
IGBT7的動態特性更優
由于EC7二極管芯片的特性更軟，IGBT7芯片的開通dv/dt可以更高，開通損耗也更低。在相同的測試平臺，IGBT7模塊FF900R17ME7_B11的開通dv/dt最高為9.4kV/us，而IGBT4模塊FF600R17ME4_B11僅為3.4kV/us（綠色實線對應的dv/dt最大值），如下圖a所示。主要的原因是在圖b中，FF600R17ME4_B11的二極管EC4在3.4kV/us已經出現了比較明顯的關斷電壓震蕩，從而限制了IGBT開通速度的增加。在相同的關斷電阻，FF900R17ME7_B11的dv/dt比FF600R17ME4_B11大，有利于降低關斷損耗。
a
b
3
IGBT7的工作結溫更高
在下圖a中，IGBT7允許的最高工作結溫為175℃，持續時間t1最大為60秒，占空比Dmax最高為20%。當溫度周期T為300秒時，t1最大正好是60秒。此時，IGBT7的結溫時間曲線和變頻器典型的重過載電流時間曲線重合，如下圖c所示，從而可以根據IGBT7的150℃長期結溫和175℃過載結溫評估變頻器的重過載工況。與下圖b中IGBT4的最高工作結溫150℃相比，IGBT7額外的25℃過載結溫可以進一步提升系統的功率密度。
a – IGBT7允許的工作結溫和時間曲線；
b – IGBT4允許的工作結溫和時間曲線；
c – 變頻器典型的重過載電流和時間曲線
4
IGBT7的EconoDUAL? 3的
功率端子散熱更強
隨著系統功率密度的提升，EconoDUAL? 3封裝交直流功率端子的溫升可能會成為系統設計的瓶頸。為此，新一代的EconoDUAL? 3封裝優化了內部結構，增加了DCB和功率端子之間的銅綁定線數量，以提高散熱效率，如下圖所示。
a – FF600R17ME4_B11
b – FF600R17ME7_B11
EconoDUAL? 3模塊功率端子與DCB連接的銅綁定線
5
IGBT7的EconoDUAL? 3的
內部等效電阻更低
此外，如下表所示，IGBT7模塊內部連接的歐姆電阻RCC’+EE’，也稱引線電阻，在常溫下為0.8毫歐，比IGBT4模塊的1.1毫歐降低了27.3%，可以降低引線電阻的損耗。
EconoDUAL? 3 IGBT4和IGBT7
模塊內部的引線電阻阻值
仿真案例
PLECS仿真工況：既然IGBT7比IGBT4有這么多的優勢，那它在690V變頻器的產品層面表現如何？莫急，下面主要以450A電流等級的IGBT7和IGBT4為例，通過電力電子仿真軟件PLECS和基于規格書的器件熱模型對兩種IGBT模塊進行詳細的仿真分析。下表是690V逆變器的典型工作參數。
PLECS仿真結果，輸出電流和結溫：下圖是四種IGBT模塊的輸出電流和IGBT芯片結溫的仿真曲線。IGBT4的最高工作結溫是150℃，FF450R17ME4_B11對應的輸出電流為275A。IGBT7的最高工作結溫是175℃，FF450R17ME7_B11對應的輸出電流343A, 比IGBT4高24.7%。同理，FF600R17ME4_B11的輸出電流為302A，FF600R17ME7_B11的輸出電流380A,比IGBT4 高25.8%。相同輸出電流時，IGBT7的結溫明顯低于IGBT4，且隨著輸出電流的增加，兩者的溫差越來越大。
IGBT7結溫低的原因是損耗低。假定一個IGBT模塊的輸出電流為271A，下圖是半個IGBT模塊的損耗對比， FF450R17ME4_B11的損耗是325.9W，FF450R17ME7_B11的損耗是246.2W，比FF450R17ME4_B11低24.4%，因此IGBT7模塊可以降低系統損耗和提升系統效率。
PLECS仿真結果，結溫，殼溫和散熱器溫度：下圖是IGBT的結溫、殼溫和散熱器溫度對比，FF450R17ME4_B11的結溫、殼溫和散熱器溫度分別為115.3℃、98.4℃和91.2℃，FF450R17ME7_B11分別為105℃、86.6℃和79.5℃。IGBT7的結溫、殼溫和散熱器溫度比IGBT4低10.3℃、11.8℃和11.7℃，可以提高系統的可靠性。
PLECS仿真結果，提升輸出電流和開關頻率：IGBT7損耗低和溫升低的優勢有利于提升IGBT的輸出電流或者開關頻率（載頻）。在1250Hz，217A輸出時，FF450R17ME4_B11的結溫為115.3℃，FF450R17ME7_B11的結溫為105℃。如下圖所示，如果保持與FF450R17ME4_B11相同的開關頻率和結溫，FF450R17ME7_B11的輸出電流可以增加到240A，增加了23A，10.6%。如果保持與FF450R17ME4_B11相同的輸出電流和結溫，FF450R17ME7_B11的開關頻率可以增加到1750Hz，增加了500Hz，40%。
IGBT開關頻率[Hz]
IGBT7助力690變頻器功率跳檔的PLECS仿真：IGBT7允許的最高工作結溫是175℃，IGBT4是150℃。參考下表690V 200kW和250kW變頻器的額定電流、輕過載電流和重過載電流，通過器件的規格書熱模型和PLECS仿真評估FF450R17ME7_B11是否能實現變頻器的功率跳檔。仿真雖然和真實的變頻器系統有差距，但是它能幫助我們快速評估器件性能的表現趨勢。
下表是IGBT4和IGBT7的仿真結溫對比，在不同工況下有如下區別：
在額定電流工況下，FF450R17ME4_B11的結溫是115.3℃，距離最高結溫有34.7℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結溫是129.6℃，距離IGBT7允許的最高連續運行結溫150℃有21.4℃的裕量。
在110%輕過載工況，FF450R17ME4_B11的結溫是122.8℃，距離最高結溫有27.2℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結溫是135.1℃，距離最高結溫有39.9℃的裕量
在150%重過載工況，FF450R17ME4_B11的結溫是118.7℃，距離最高結溫有31.3℃的裕量。FF450R17ME7_B11的結溫是137.2℃，距離最高結溫有37.8℃的裕量。
基于仿真評估結果，從結溫裕量的角度來說，FF450R17ME7_B11滿足250kW變頻器的工況，與FF450R17ME4_B11相比，它可以助力變頻器功率從200kW擴展到250kW，實現功率跳檔。
總結
本文首先介紹了1700V EconoDUAL? 3 IGBT7的產品系列和性能特點，然后以1700V 450A IGBT4和IGBT7為例，通過PLECS仿真詳細研究了IGBT7在損耗、溫升和高載頻等方面的優勢。由于IGBT7的最高工作結溫是175℃，仿真結果表明IGBT7可以實現變頻器的功率跳檔。為了便于大家理解，下圖總結了IGBT7的產品優勢和對690V變頻器的應用價值。
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